XX船体结构分析

大连海事大学

硕士学位论文

XX船体结构分析

姓名：孙桐君

申请学位级别：硕士

专业：船舶与海洋结构物设计制造

指导教师：李治彬

20100601中文摘要

摘要

船舶运输业的发展为世界经济的繁荣提供了重要保障。船舶在行驶过程中存

在着一定的风险，但是随着船舶尺度的不断增大，船舶种类的不断增多，各类船

舶损坏的数量及吨位一直居高不下。因此在船舶设计、检验过程中船舶工作者始

终要将船舶安全系数考虑在第一位，以降低船舶营运中的风险。实现这一目标首先要考虑的就是船舶强度。有限元法是一种广泛而有效的数值分析方法，不仅精度高，而且能适应各种

复杂形状，因而在船舶设计和建造过程中有着举足轻重的地位。有限元法的基本

思想是将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解。本文以一艘正在运营的４５００吨多用途船为研究对象，按照《中国船级社钢质

海船入级规范２００９｝中强度分析的相关技术要求，根据已有的船舶图纸，进行一

定得简化以后，利用有限元软件ＡＮＳＹＳ进行船体舱段建模和网格划分。本文按照规范规定的约束形式，对舱段有限元模型实施加载并进行三维有限元强度分析。

通过最后得出的应力和变形分布与相关强度标准之间的比较，得出对船舶整体强

度的判断。本文对船舶强度分析过程中，所采用的建立船舶模型、施加载荷和约束的思

路和方法为今后相关领域的工作和研究提供了参考。

关键宇：多用途船；强度分析；有限元英文摘要

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｔ１１ｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｈｉｐｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｈａｓａｌｗａｙｓｐｒｏⅥｄｅｓａｌｌｉｍｐｏｒｔａｎｔｇｕａｒａｎｔｅｅｆｏｒｔｈｅｗｏｒｌｄｅｃｏｎｏｍｙ．Ｗｉｔｈｔｈｅｓｈｉｐｓａｒｅｌａｒｇｅｒａｎｄｌａｒｇｅｒ，ａｎｄｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｓｈｉｐｔｙｐｅｉｓｉｎｃｒｅａｓｍｇｃｏｎｔｉｎｕａｌｌｙ，ｔｈｅｒｉｓｋｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｈｉｐｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｉｓｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｗｈｅｎｗｅａｒｅｄｅｓｉｇｎｉｎｇａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇｓｈｉｐｓ，ｗｅｍｕｓｔｐｕｔｔｈｅｓａｆｅｔｙｆａｃｔｏｒａｔｔｈｅｔｏｐｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｒｉｓｋｗｈｅｎｔｈｅｓｈｉｐｓａｒｅｏｐｅｒａｔｅｄ．Ｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｉｓｇｏａｌ，ｗｅｓｈｏｕｌｄｃｏｎｓｉｄｅｒｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｓｈｉｐｓｆｉｒｓｔ．Ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｄｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｉｓａｗｉｄｅｓｐｒｅａｄａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｍｅｔｈｏｄｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌ

ａｎａｌｙｓｉｓ，ｗｈｉｃｈｉｓｎｏｔｏｎｌｙｈｉ出ａｃｃｕｒａｃｙｂｕｔａｌｓｏａｄａｐｔｅｄｔｏｖａｒｉｏｕｓｋｉｎｄｓｏｆｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｓｈａｐｅｓ，ｗｈｉｃｈｈａｓａｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｐｌａｃｅｉｎｓｈｉｐｄｅｓｉｇｎａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ

ｐｒｏｃｅｓｓ．１１１ｅｂａｓｉｃｉｄｅａｏｆｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｉｓｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｂａｓｉｃｄｏｍａｉｎｓａｓｍａｎｙａｓｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｏｆｓｕｂ—ｄｏｍａｉｎｓ，ｆｏｒｅａｃｈｕｎｉｔｔｈｅｒｅｉｓａｌｌａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｓｏｌｕｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｎｆｏｌｌｏｗｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｏｍａｉｎｏｆｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｃｏｎｔｅｎｔａｎｄｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍａｎｄｔｈｅｎｄｅｒｉｖｅｔｈｅｔｏｔａｌｍａｔｃｈｅｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｂａｓｉｃｄｏｍａｉｎｓ，ｔｈｕｓｗｅｇｅｔｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅａｕｔｈｏｒｔａｋｅｓｔｈｅ４．５００ｔｏｎｓｏｆｍｕｌｔｉ－ｐｕｒｐｏｓｅｖｅｓｓｅｌｆｏｒｔｈｅｓｔｕ呶

ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｌｅｖａｎｔｓｔｒｅｎｇｔｈｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆ”ＣＣＳｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ２００９ｓｔｅｅｌｓｈｉｐｓ竹．Ｉｎｃｈａｐｔｅｒｏｎｅ，ｔｈｅａｕｔｈｏｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓａｎｄａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓａｎｄｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅａｎｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｏｆｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｉｎｔｈｅｓｅｃｏｎｄｃｈａｐｔｅｒ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｇｉｖｅｓａｌｌｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ．Ｉｎｔｈｅｔｈｉｒｄ

ｃｈａｐｔｅｒ，ｔｈｅｐａｐｅｒｂｕｉｌｄｓｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｓｈｉｐａｎｄｍｅｓｈｅｓｔｈｅｍｏｄｅｌｂｙｕｓｉｎｇｏｆｔｈｅｓｏＲｗａｒｅＡＮＳＹＳ，ｔｈｅｎｉｎｔｈｅｆｏｕｒｔｈｃｈａｐｔｅｒ，ｗｉｔｈｔｈｅｒｅａｓｏｎａｂｌｅｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｉＳｌｏａｄｅｄｗｉｔｈｆｏｒｃｅｓａｎｄｍｏｍｅｎｔｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔａｔｅｓ，ａｎｄｌａｔｅｒｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｏｕｔ．Ｉｎｔｈｅｅｎｄ，ｃｏｍｐａｒｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｓｔａｎｄａｒｄ，ｉｔｉｓｃｌｅａｒｔｈａｔｉｆｔｈｅｓｈｉｐｓｔｒｅｎｇｔｈｉｓｅｎｏｕｇｈｏｒｎｏｔ．Ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｉｓｐａｐｅｒｗｉｌｌｓｕｒｅｄｏｓｏｍｅｂｅｎｅｆｉｔｓｔｏｔｈｅｌａｔｅｒｒｅｓｅａｒｃｈ．

ＫｅｙＷｏｒｄｓ：Ｍｕｌｔｉ—ｐｕｒｐｏｓｅｖｅｓｓｅｌ；Ｓｔｒｅｎｇｔｈａｎａｌｙｓｉｓ；Ｆｉｎｉｔｅ

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敝储签硒Ｊ，栅导师张

Ｅｔ期：年

月）【）【船体结构分析

第１章绪论

１．１本课题研究的背景和意义

在２０世纪后４０年，世界经济大循环模式逐步形成，全球贸易得以飞速发展，

世界贸易总额的８５％是通过海洋运输实现的。在世界贸易繁荣的影响下，船舶这

一海洋运输业主要载体的各方面技术也有了长足的进步，船舶设计技术频频更新，

船舶的产量，品种都有了很大幅度上的增长。同时，海洋开发与海洋军民装备的

发展需求更是为船舶技术的进步提供了所未有的动力。２０世纪８０年代以来，我国

船舶工业和船舶技术取得了迅猛的发展，目前中国船舶总产量已稳居世界第三Ｉ¨。一直以来，人们对船舶产品的质量和安全性问题给予了极大的关注。但是随着

船舶尺度的不断增大，船舶种类的不断增多，全世界各类船舶损坏的数量及吨位一直居高不下。船舶事故不仅给船东造成了巨额的经济损失，更使得数百名船员

不幸遇难。

表ｌ－１２００９年各类涉及船舶事故统计表

ＴａｂＩ．ＩＴｈｅｎｕｍｂｅｒｓｏｆｖａｒｉｏｕｓａｃｃｉｄｅｎｔｓａｂｏｕｔｓｈｉｐｓｉｎ２００９碰撞搁浅触礁触损浪损火灾／风灾自沉其他爆炸

客船１１ＯｌｌＯ１Ｏ３Ｏ危险品船１２ｌ５３０４ＯＯＯ集装箱船１５０ｌ４０３０ｌ１杂货船５４５１０１５０２ｌ４１４散货船３２６３４ｌ４Ｏ１ｌ０运沙船１６０６２００Ｏ４８１拖船及船队５ＯＯ２Ｏ０ＯｌＯ其他类船舶３２００１５０ｌＯ３５２

因此在船舶设计、检验过程中船舶工作者始终要将船舶安全系数考虑在第一

位，以降低船舶营运中的风险。实现这一目标首先要考虑的就是船舶强度【２。。第１章绪论

１．２国内外研究概况及发展趋势

船舶强度一般是指船体结构在正常的使用过程中和规定的使用年限内具有不

发生破坏或者不发生过大变形的能力【引。一直以来在考虑船舶强度时把整个船体看

做是静置与波浪中的的船体梁，主要讨论船舶的纵向强度、横向强度和局部强度

问题是比较传统的方法。传统做法在解决船体结构进行强度计算问题时，一般要

先进行分析，确定总的计算方案，同时根据需要和可能对结构进行一些简化，得

到“力学模型＂（也叫做“计算图形一或“计算模型＂）然后选取适当的方法进行

计算，得到计算结果，简单的来说有以下几种方法【４‘１０Ｊ：

（１）把船体的总强度问题与局部强度及横向强度问题分开考虑，必要的时候再把结果叠加起来。这时候，在总强度问题中就把船体看做一根空心变断面梁。

（２）在船体局部强度和横向强度问题中，把空间结构拆成平面结构，相互间的

影响用适当的支座来代替。在一般情况下，去一个舱室内的甲板部分、舷侧部分、

船底部分及舱壁部分作为研究对象，并把它们看做是平面结构。

（３）在计算平面结构时。把组成船体的骨架与板分开考虑。然而船舶的实际结构及其受力是相当复杂的，如存在着各种间断构件、不同

的连接方式、货舱大开口、复杂的波浪载荷等；并且，实际构件的受力是多种因

素共同作用的结果。所以这种把船体横剖面看作一空间梁的方法有较大的近似性１５ｌ

随着科技的进步，人们逐渐发展着船体强度研究的方法。Ｗｉｌｄ最早应用经典

薄壁梁理论来计算集装箱船扭转强度，他把船体货舱部分视为两端有翘曲约束的

等断面开口薄壁梁，将首尾影响作为边界条件来考虑，但由于未考虑船体非棱柱

的特点，以及用开口薄壁梁理论计算具有闭口剖面的船体强度，因此也有较大的

误差。考虑到船体的非棱柱性，大多数研究者开始采用有限梁方法，把船体离散

为阶梯形薄壁梁段，应用迁移矩阵法或一维有限元法进行计算。目前，在前期设计阶段，薄壁梁理论仍起到一定的作用，但是对于波浪载荷，薄壁梁理论采用确

定性的方法，而波浪载荷是随机性的，因此这些由薄壁梁理论所得到的结果有很大的局限性，不能对船体的各个部分给出较详细和准确的应力分布。

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